W projekcie przeprowadzono kompleksowe badania procesu

Nr wniosku: 148821, nr raportu: 6909. Kierownik (z rap.): prof. dr hab. inż. Krzysztof Tadeusz Wierzbanowski
W projekcie przeprowadzono kompleksowe badania procesu walcowania asymetrycznego (WA) w
aspekcie mikrostruktury i własności walcowanego materiału oraz optymalizacji samego procesu.
Zbadano wpływ WA na mikrostrukturę i własności mechaniczne aluminium i tytanu, metali o
ważnych zastosowaniach konstrukcyjnych i biomedycznych. Intensywne WA może być zaliczone do
metod wytwarzających istotne rozdrobnienie mikrostruktury metalu, która z kolei prowadzi do:
zwiększonej wytrzymałości mechanicznej, ujednorodnionej tekstury krystalograficznej oraz
ukierunkowanej anizotropii plastycznej. Ponadto, rozdrobniona mikrostruktura metalu, uzyskana w
procesie WA, wpływa na proces rekrystalizacji metalu i na uzyskane po niej charakterystyki. WA jest
potencjalnie ważną metodą obróbki metalu prowadzącą do struktury drobnoziarnistej, gdyż można
przy jej pomocy otrzymywać duże objętości materiału przeprowadzając modyfikację istniejących
laboratoryjnych i przemysłowych walcarek. Uzyskane wyniki porównano z 'konkurencyjną' metodą
uzyskiwania struktury ultra-drobnoziarnistej - z metodą przeciskania przez kanał kątowy (ang,: equal
channel angular pressing - ECAP). Ta ostatnia metoda, choć prowadzi do większego rozdrobnienia
mikrostruktury, to umożliwia uzyskiwanie jedynie ograniczonych ilości przetworzonego metalu i
pozostaje wyłącznie metodą laboratoryjną. Oprócz przeprowadzonych badań doświadczalnych
rozwinięto także modele matematyczne i numeryczne opisujące powyższe geometrie odkształcenia.
Modele takie są bardzo przydatne, umożliwiają bowiem wstępne zaplanowanie procedury
doświadczalnej i pomiarowej. Chodziło tutaj o rozwinięcie krystalograficznego modelu odkształcenia
sprężysto-plastycznego oraz następnie jego implementację do metody elementów skończonych
(MES).
W projekcie zrealizowano zatem trzy główne grupy zagadnień:
- Opracowano model odkształcenia materiałów polikrystaliczych mikro-makro, łącząc model
krystalograficzny odkształcenia z algorytmem MES. Zastosowano go do analizy formowania
materiału w geometrii walcowania asymetrycznego oraz przeciskania przez kanał kątowy (ECAP).
Model przewiduje poprawnie modyfikacje tekstur tytanu i aluminium w procesach WA i ECAP. Ten
połączony model może być także używany do badania odkształceń w innych geometriach. Dzięki
rozwinięciu modelu krystalograficznego odkształcenia udało się również wyjaśnić problem istnienia
dwóch tekstur walcowania metali o strukturze regularnej ściennie centrowanej (tekstur typu miedzi i
mosiądzu) bez zakładania nierealistycznej objętości bliźniaków.
- Uzyskano pełny opis procesu WA, zarówno w skali technologicznej jak i mikrostrukturalnej. WA
prowadzi do otrzymywania materiałów o mniejszych ziarnach, w dodatku bardzo wewnętrznie
rozdrobnionych. Proces ten powoduje wyraźne podniesienie twardości i wytrzymałości mechanicznej.
WA prowadzi także do wytwarzania materiału z jednorodną teksturą w całej objętości (w odróżnieniu
od walcowania symetrycznego). Także po wygrzewaniu rekrystalizującym obserwuje się wpływ
walcowania asymetrycznego na zmniejszenie średniego rozmiaru ziaren oraz na jednorodność
tekstury. W procesie WA można modyfikować anizotropię plastyczną materiału, od której zależy np.
tłoczność blach. Ponadto, potwierdziliśmy teoretycznie i doświadczalnie, że podczas WA występują
znacznie mniejsze siły normalne oraz momenty sił, co jest korzystne dla żywotności walcarek.
- Opracowano dwa modele rekrystalizacji do badania powstających po WA tekstur i mikrostruktur:
model Monte-Carlo (dla tytanu) oraz model oparty na teorii zorientowanego wzrostu (dla aluminium).
Przewidują one poprawne charakterystyki rekrystalizowanych materiałów.
Uzyskane wyniki poszerzają naszą wiedze na temat własności materiałów odkształcanych w
geometrii WA, a także następnie wygrzewanych. Pozwalają one na technologiczną optymalizacje tego
procesu. Prowadzenie WA do dużych odkształceń pozwala na uzyskiwanie bardzo rozdrobnionej
mikrostruktury oraz jednorodnej zmodyfikowanej tekstury (obróconej wokół kierunku poprzecznego).
Co prawda stopień rozdrobnienia materiału nie jest tak daleko posunięty jak w procesie przeciskania
przez kanał kątowy (ECAP), ale możliwość uruchomienia tego procesu na istniejących walcarkach
laboratoryjnych i przemysłowych oraz duże ilości uzyskiwanego materiału - czynią z tej geometrii
odkształcenia obiecującą technikę otrzymywania ulepszonych materiałów. Podsumowując, metoda
WA jest techniką która: zwiększa rozdrobnienie, a zatem twardość i wytrzymałość materiałów,
zmniejsza naprężenia własne, modyfikuje teksturę oraz anizotropię plastyczną.
Ponadto, w ramach projektu zrealizowano istotną część pracy doktorskiej mgr inż. Marcina
Wrońskiego ("Modelling and experimental study of asymmetric rolling of titanium and aluminium",
obronionej z wyróżnieniem, dnia 18 października 2013 roku, na Wydziale Fizyki i Informatyki
Stosowanej, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie).